人体器官移植为重病患者提供了一条至关重要的生命线，但可供移植的器官太少：仅在美国，目前就有超过 112,000 人在等待移植。3D 打印器官的前景是解决这一短缺的一种可能解决方案，但它充满了复杂性和技术障碍，限制了可以打印的器官类型。史蒂文斯理工学院的研究人员现在正在通过利用几十年前的技术来复制任何组织类型来克服这些障碍。
这项工作由史蒂文斯谢弗工程与科学学院机械工程系副教授 Robert Chang 领导，可以随时为 3D 打印任何类型的器官开辟途径，甚至直接在开放性伤口上打印皮肤。
“在不需要人类捐赠者的情况下创造新的器官来订购和挽救生命将对医疗保健带来巨大的好处，”Robert Chang 说，他的工作发表在 4 月号的《科学报告》上。“然而，达到这个目标是很棘手的，因为使用‘生物墨水’——充满培养细胞的水凝胶——打印器官需要对打印的超细纤维的几何形状和尺寸进行一定程度的精细控制，这是目前 3D 打印机根本无法实现的。”
Chang 和他的团队，包括 Chang 实验室的第一作者和博士生 Ahmadreza Zaei，希望通过快速跟踪一种新的 3D 打印工艺来改变这种状况，该工艺使用微流体——通过微小通道精确操纵液体——在更小的空间内运行规模超出了可能。“最近的出版物旨在提高通过微流体生物打印技术实现的制造微组织和微纤维结构的可控性和可预测性，”Zaeri 说。
目前大多数 3D 生物打印机都是基于挤压的，从喷嘴中喷出生物墨水以创建大约 200 微米的结构——大约是面条的十分之一宽。基于微流体的打印机可以打印与单细胞规模相当的数十微米量级的生物对象。
“规模非常重要，因为它会影响器官的生物学，”Chang 说。“我们在人类细胞的规模上运作，这让我们能够打印出模仿我们试图复制的生物特征的结构。”
除了在较小的规模上运行外，微流体还可以使多种生物墨水(每种包含不同的细胞和组织前体)在单个打印结构中互换使用，这与传统打印机将彩色墨水组合成单个生动图像的方式非常相似.
这很重要，因为虽然研究人员已经通过鼓励组织在 3D 打印支架上生长来创建简单的器官，如膀胱，但更复杂的器官，如肝脏和肾脏，需要精确组合许多不同的细胞类型。“能够以这种规模进行操作，同时精确混合生物墨水，使我们能够复制任何组织类型，”Chang 说。
缩小 3D 生物打印需要进行艰苦的研究，以准确了解不同的工艺参数(如通道结构、流速和流体动力学)如何影响打印的生物结构的几何形状和材料特性。为了简化这一过程，Chang 的团队创建了一个微流控打印头的计算模型，使他们能够调整设置并预测结果，而无需进行费力的实际实验。
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